13 x 10
3
kalorim
2
dt Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi ektromagnetik. Radiasi tersebut
hanya sekitar 50 yang dapat diserap oleh bumi. Menurut pengukuran yang dilakukan oleh badan luar angkasa Amerika Serikat NASA National Aeronautics and Space
Administration melalui misi ruang angkasanya pada tahun 1971,diperoleh data tentang besaran konstanta matahari yang harganya sama dengan 1353 Wattm
2
. Dari besaran tersebut 7,85 atau 105,8 Wattm
2
dipancarkan melalui sinar ultraviolet, 47,33 atau 640.4 Wattm
2
dipancarkan oleh sinar yang dapat dilihat oleh manusia visible light dan 44,85 atau 606,8 Wattm
2
dipancarkan oleh sinar infra merah. Pada dasarnya energi radiasi yang dipancarkan oleh sinar matahari mempunyai besaran yang
tetap konstan,tetapi karena peredaran bumi mengelilingi matahari dalam bentuk elips maka besaran konstanta matahari bervariasi antara 1308 Wattm
2
dan 1398 Wattm
2
.Dengan berpedoman pada luas penampang bumi yang menghadap matahari dan yang berputar
sepanjang tahun, maka energi yang dapat diserap oleh bumi besarnya adalah 751 x 10 kW- jam.
2.2. Tinjauan perpindahan panas
Sebagai suatu gambaran mengenai tiga cara perpindahan panas dalam sebuah alat pemanas, panas mengalir secara konduktif sepanjang pelat penyerap dan melaui dinding
saluran. Kemudian panas dipindahkan ke fluida dalam saluran dengan cara konveksi; apabila dilakukan dengan sirkulasi dengan sebuah pompa, maka disebut konveksi paksa. Pelat
penyerap yang panas itu melepaskan panas ke pelat penutup kaca umumnya menutupi kolektor dengan cara konveksi alamiah dan dengan cara radiasi.
1. Konduksi
Universitas Sumatera Utara
Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu temperatur gradient, maka akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian yangbersuhu rendah. Dapat
dikatakan bahwa energi berpindah secara konduksi conduction atau hantaran dan bahwa laju perpindahankalor itu berbanding dengan gradient suhu normal :
Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas proportionality constant atau tetapan ke sebandingan, maka :
q = - dimana A adalah luas penampang tegak-lurus pada aliran panas m
2
dTdx adalah gradien temperatur dalam arah aliran panas,Km dan q adalah laju perpindahan kalor Watt.
Konstanta positif k disebut konduktivitas termal atau kehantaran Wm.K , konstanta positif diberikan agar memenuhi hokum termodinamika yaitu kalor mengalir ke tempat yang
lebih rendah dalam skala suhu. 2.
Konveksi Pada bagian tepi pelat terbentuk suatu daerah dimana pengaruh gaya viskos semakin
meningkta. Gaya-gaya viskos dapat diterangkan dengan tegangan geser antara lapisan-
lapisan fluida. Jika tegangan ini dianggap beebanding lurus dengan gradient kecepatan normal, maka dapat dirumuskan persamaan dasar untuk viskositas :
= Konstanta proporsional disebut viskositas dinamik.
Pada permulaan, pembentukan lapisan batas laminarpada suatu jarak kritis karena sifat-sifat fluida, gangguan-ganguan kecil pada aliran itu membesar dan mulailah terjadi
proses transsisi hingga akhirnya aliran menjadi turbulen. Karakterstik aliran ini ditentukan
Universitas Sumatera Utara
oleh kuantitas suatu besaran yang disebut bilangan Reynolds. Untuk aliran melintas pada pelat rata, bilangan Reynld didefenisikan sebagai :
Re = Dimana,
adalah kecepatan aliran bebas ms; x adalah jarak dari tepi depan pelat m; adalah viskositas kinematik fluida m
2
s Transisi dari aliran laminar mejadi trubulen terjadi apabila Re 5x10
5
walaupun untuk tujuan analisis angka Reynold kritis untuk transisi di atas pelat rata bisa dianggap 5x10
5
, namun dalam situasi praktis nilai kritis ini sangat bergantung pada kekasaran permukaan dan tingkat
keturbulenan. Tetapi untuk aliran sepanjang pealt selalu trubulen untuk Re 4 x 10
5
. Pada daerah aliran turbulen, lapisan yang sangat tipis dekat pelat bersifat laminar laminar
sublayer, dan di sini aksi viskositas dan perpindahan kalor masih pemting. Daerah ini disebut lapisan buffer buffer layer. Lebih jauh lagi, aliran menjadi sepenuhnya turbulen, dan
mekanisme utama penukaran kalor dan momentum melibatkan bongkah-bongkah makroskopik fluida yang bergerak.
Udara yang mengalir di atas suatu permukaan logam panas,misalnya dalam saluran baja sebuah alat pemanas udara surya,dipanasi secara konveksi. Arabia saluran udara disebabkan
oleh sebuah blower,disebut konveksi paksa; apabila disebabkan oleh gradien massa jenis,maka disebut konveksi alamiah.
Pada umunya,perpindahan panas konveksi dapat dinyatakan dengan hokum pendinginan Newton,sebagai berikut:
q = hA T
w
- T
s
watt dimana h adalah koefisien konveksi,Wm
2
.K; A adalah luas permukaan,m
2
; T
w
adalah temperatur dinding; T adalah temperatur fluida,K. Umumnya koefisien konveksi h
dinyatakan dengan parameter tanpa dimenis yang disebut bilangan Nusselt, menurut nama dari Wilhelm Nusselt,Nu=hdik, dimana k adalah konduktivitas panas. Karena aliran dalam
Universitas Sumatera Utara
pemanas cairan surya itu laminar dan tabung-tabungnya adalah relatif pendek, maka bilangan Nusselt rata-rata dan karena itu harga –harga h dalam tabung dapat dicari dari grafik bilangan
Nusselt.
3. Radiasi
Radiasi termal adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh suatu benda karena suhunya. Ada beberapa jenis radiasi elektromagnetik ,radiasi termal hanyalah salah satu
diantaranya. Apapun jenis radiasi itu, ia selalu merambat dengan kecepatan cahaya, 3x10
10
ms. kecepatan ini sama denga hasil perkalian panjang-gelombang denga frekuensi radiasi, C =
Dimana, C adalah kecepatan cahaya; adalah panjang gelombang dan adalah frekuensi. Perambatan radiasi termal berlangsung dalam bentuk kuantum-kuantum yang diskrit atau
farik discrete, setaip kuantum mengandung energi sebesar E = h
Dimana h adalah 6,625 x 10
-34
J.s Bila densitas energi diintegrasikan sepanjang seluruh panjang-gelombang,maka energy total
yang dipancarkan sebanding dengan pangkat empat suhu absolut atau sesuai dengan hukum Stefan-Boltzmann :[2]
E
b
= Dimana, E
b
adalah energi yang diradiasikan persatuan waktu dan persatuan luas Wattm
2
, dan adalah konstanta Stefan-Boltzmann yang nilainya
= 5,669x10
-8
Wm
2
. K
4
. Penukaran panas netto secara radiasi termal adalah:
q =
4 2
4 1
T T
A −
σ Watt
dimana σ adalah konstanta Stefan-Boltsman,5,67 x 10
8
Wm
2
.K
4
; A adalah luas bidang,m
2
,dan temperatur adalah derajat Kelvin pangkat empat,K
4
.
Universitas Sumatera Utara
Penggunaan energi surya meliputi pengaturan kedudukan permukaan pengumpul kolektor pada berbagai sudut dengan bidang horizontal. Sementara pengukuran radiasi
pada permukaan horizontal di banyak tempat sudah dilaksanakan,pemanasan pada permukaan miring harus dihitung. Lapisan luar matahari yang disebut fotosfer
memancarkan suatu spektrum radiasi yang kontiniu. Radiasi yang dipancarkan oleh permukaan matahari,Es, adalah sama dengan hasil
perkalian konstanta Stefan-Boltzmann
σ
, pangkat empat temperatur permukaan absolute T
s 4
, dan luas permukaan
2
ds
π
, Es =
4 2
s
T ds
σπ W
Dimana
σ
= 5,67 x 10
-8
Wm
2
.K
4
, temperatur permukaan Ts dalam K,dan diameter matahari ds dalam meter.
Pada radiasi ke semua arah, energi yang diradiasikan mencapai luas permukaan bola dengan matahari sebagai titik tengahnya. Jari-jari R adalah sama dengan jarak rata-rata
antara matahari dan bumi. Luas permukaan bola adalah sama dengan
2
4 R
π
,dan fluks radiasi pada satu satuan luas dari permukaan bola tersebut yang dinamakan
iradiansi,menjadi: G =
2 4
2
4R T
d
s s
σ Wm
2
Dengan garis tengah matahari 1,39 x 10
9
, temperatur permukaan matahari 762 K,dan jarak rata-rata antara matahari dan bumi sebesar 1,5 x 10
11
m, maka fluks radiasi per satuan luas dalam arah yang tegak lurus pada radiasi tepat di luar atmosfer bumi adalah
G = 1353
10 5
, 1
4 10
762 ,
5 10
39 ,
1 10
67 ,
5
2 2
11 4
4 3
2 2
9 8
4 2
= ×
× ×
× ×
× ×
⋅ −
m K
m
K m
W
Wm
2
Universitas Sumatera Utara
Harga G ini disebut kontanta surya,Gsc pengukuran yang baru-baru ini dilakukan oleh pesawat antariksa telah membenarkan harga Gsc ini,yang kemudian telah diterima oleh
NASA sebagai standar.
2.3. Kolektor surya pelat rata
